天津工业大学环境与化学工程学院 ■ 陈仁芳邓宝祥 王晴晴

硅晶体线锯切削液的应用与发展

天津工业大学环境与化学工程学院 ■ 陈仁芳*邓宝祥 王晴晴

切削液是硅晶体线锯切割过程中必不可少的附材，切削液组分随切割方式的不同而发生变化来满足对线锯切割的需求。本文对硅晶体切削液的分类及近年来切削液组分的研究状况进行了综述，分析了黏度、表面张力、pH值对切削液性能的影响，并预测了未来切削液的发展趋势。

切削液；硅晶体；线锯切割；性能

0　引言

硅片是光伏发电产业中最基础最重要的原材料，约90%的太阳电池板都要使用到硅片［1］。

在硅片加工过程中，硅锭的切片是非常重要的一个环节。在这道工序中，硅片的晶向、厚度、斜度、翘曲度都被确定下来；同时，由于机械作用，这一工序也是造成损伤、刀痕、应力，以及因应力产生错位问题的主要工序［2］。

早期的硅片切割工艺为内圆切割，此切割方法生产效率低下且生产出的硅片表面质量和光电转化能力较差。随着光伏产业的迅速发展，对硅片的需求加大，硅片大直径、超薄化已成为一种必然的发展趋势。线锯切割工艺因其高效率、高质量、低损耗的优点，逐步取代内圆切割工艺，成为目前大直径硅片(Φ≥200 mm)加工的常用方法，而切削液在这其中发挥着重要作用［3］。性能优良的切削液具有高悬浮、高分散、高润滑、高冷却性的特点，能有效降低硅片生产成本，提高硅片表面质量和成品率。

1　硅晶体切削液组分的发展

随着硅晶体切片工艺的不断升级，切削液的组分也在不断变化。早期的切削液是以矿物油为主体，在其中加入油溶性防腐蚀剂、分散剂、极压添加剂所构成的复合油基切削液［4］。此类切削液不溶于水，冷却效果不理想。此外，当硅晶体切片完成后，切削液残留在硅晶片和设备表面，需要大量含氯有机溶剂进行清洗，这造成了对人体的损害和环境污染，现已很少使用。

目前使用较为广泛的硅晶体多线锯切削液主要分为两类［5,6］。第一类是由聚乙二醇(PEG)或聚醚类为主要成分，同时添加了润滑剂、螯合剂、消泡剂等添加剂所构成的水溶性切削液，此类切削液适用于游离磨料线锯切割方式(三体切割)［7］；第二类是以去离子水为基础，添加了少量表面活性剂、缓蚀剂、极压剂、pH调节剂等组分所构成的水基切削液，此类切削液适用于固结磨料线锯切割方式(二体切割)。

20世纪90年代，随着线锯切割技术的发展，日本、美国和一些欧洲国家率先展开了对水溶性线锯切削液的研究，申请了诸多专利，同时研制出多种成型产品，但具体切削液配方属于商业秘密，鲜有报道。

我国较早研究水溶性硅晶体线锯切削液的机构是河北工业大学，该校的刘玉岭等［8］认为切削液的关键作用是降低摩擦、降低磨损层、减小应力和微裂、提高效率与延长刀具寿命、防止设备生锈；在研究和分析切片工艺的基础上，研制出性能优良的FA/O型水溶性合成切削液。但水溶性切削液作为一种成熟产品仍存在以下缺点：SiC磨粒在切削液中易沉降，在切割过程中易产生泡沫，切割后的硅片表面吸附严重。针对以上问题，唐博合金等［9］在2012年提出了一种水溶性切削液，其具有极佳的抗极压润滑性，较大的分散性能和流平性能，提高了SiC磨料在切削液中的分散稳定性，同时有效解决了切屑的再沉积问题。范成力等［10］在2013年提出了一种硅晶体切削液，该切削液拥有优越的金属抗腐蚀能力和强大的抑泡能力。在使用过程中，液体能够保持清澈透明，表面无废渣和泡沫，几乎可以做到无论起多少泡沫下一秒全部消完，大幅降低了因硅片表面残留泡沫而产生“白斑”的现象。

近年来，固结磨料线锯切割技术因其生产效率高、回收成本低［11］的特点引起了人们的极大关注，水基切削液成为其必不可少的耗材。水基切削液具有良好的冷却性能，能带走大量的切削热，充分降低硅片表面温度；流动性能好，具有优异的清洗性，提高了硅片的光洁度；废液易回收，减少了环境污染［12］。

针对当前因水基切削液水含量高而产生的润滑性差、抗腐蚀性差和产生氢气的问题，2014年，福岛刚等［13］在公开的专利中介绍了一种适用于硅锭切片的水基切削液。此切削液添加了一种聚氧亚烷基加成物，在硅锭切削过程中，切削热的冷却性、润湿性、水与硅的反应抑制性、抑泡性均有良好表现。2015年，Y•朱等［14］在公开的专利中提出了一种基于水的切削液，添加了一种浊点为40～80 ℃的聚烷二醇(PAG)，当切削液进入切割区域，工作温度高于浊点温度，聚烷二醇将从切削液中析出形成新相，在硅锭和金刚石线表面形成一层油膜，从而起到良好的润滑作用。同时，硅锭表面的油膜可以提供保护层以抑制新产生的硅片表面与水反应生成氢气。

2　影响切削液性能的因素分析

2.1黏度对切削液性能的影响

在固结磨料线锯切割中，金刚石磨粒被固定在钢线上，无需切削液输送，所以黏度对水基切削液的影响较小。水溶性切削液在游离磨料线锯切割中需携带游离的SiC随钢线一起运动，所以对切削液的粘滞性有一定的要求［15］。切削液黏度越高，携带SiC的数量越大，挂线性能越好，但黏度过高会导致切削液的流动性下降，SiC与切屑粘结在一起，大量的切削热不能被及时排出；反之，切削液黏度降低，其会具有良好的冷却性能和抑泡性能，但黏度过低会造成携砂量减少SiC分散稳定性差，切割效率降低。因此，只有切削液黏度控制在合理的范围，才能获得优良的挂线性能、冷却性能及携砂能力。

2.2表面张力对切削液性能的影响

在液-气界面，液体表层分子受到两侧气体和液体对其不平等的拉力而产生向液体内部收缩的作用力称为液体表面张力。由于表面张力的作用，切削液具有自动收缩到最小的趋势，不利于其在硅片和钢线表面的铺展。通常采用添加少量表面活性剂的方法来降低切削液的表面张力，增强切削液的渗透能力，在进行切削过程中切削液能够快速渗透到接触区域，在钢线和硅锭表面形成润滑膜，从而减小摩擦力，降低硅片表面损伤、裂纹等缺陷［16］。

2.3pH值对切削液性能的影响

pH值是衡量切削液性能的一个重要指标，它表示溶液中氢离子的浓度。切削液中的氢离子是引起硅晶体切片设备腐蚀的重要因素之一，切削液pH值过低会加快生产设备的腐蚀过程，且切削液中的阴离子乳化剂会被酸化成相应的酸，降低其乳化能力。在碱性切削液中，OH-与新产生的硅表面会发生反应［17］，造成硅片表面损伤，不利于硅晶体的切割。特别是对于水溶性切削液而言，切削液的pH值会直接影响SiC磨粒在切削液中的悬浮稳定性，SiC的等电位(IEP)在pH值约为3.5，根据DLVO理论，在等点位附近粒子易发生沉聚现象，远离等电位点才具有很好的静电稳定性［18］。综上所述，当切削液的pH值控制在6～8范围内时，可显著提高硅片切割质量。

3　线锯切削液的发展趋势

现阶段游离磨料线锯切割工艺在光伏产业切割领域仍占主导地位，水溶性切削液仍是人们关注的重点。但由于水溶性切削液和SiC磨料的生产成本高、消耗量大，使用过的废液难以回收利用，限制了其线切割领域的进一步发展。固结磨料线锯切割拥有更高的切割效率，更加适合大尺寸超薄硅片的加工，有望成为光伏产业切割领域的发展方向；而与其配套使用的水基切削液将成为以后人们研究的一个热点。因此，不断改进切削液中的各种添加组分，研制出具有出色的润滑、冷却、防锈、清洗性能的水基切削液，对提高切割效率，促进光伏产业的快速发展起到了巨大的推动作用。

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2016-04-08

陈仁芳(1991—)，男，在读研究生，主要从事化工助剂的剖析与复配方面的研究。807082964@qq.com